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方法文章

用于在多发性硬化症溶血卵磷脂大鼠模型中 体内 测量髓鞘含量的正电子发射断层扫描成像

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DOI：

10.3791/62094

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2021年2月28日

 ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratory of Nuclear Medicine (LIM-43), Departamento de Radiologia e Oncologia, Faculdade de Medicina, Universidade de Sao Paulo, 2Nuclear Medicine Division, Hospital Sirio-Libanes

本文内容

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摘要

本方案旨在监测 体内 通过正电子发射断层扫描（PET）成像在多发性硬化动物模型中观察髓鞘变化（脱髓鞘与再髓鞘化）

摘要

多发性硬化症（MS）是一种神经炎症性疾病，伴有中枢神经系统内不断扩展的轴突和神经元变性及脱髓鞘，导致在MS进展过程中出现运动功能障碍、精神障碍和认知损害。正电子发射断层扫描（PET）是一种能够定量检测 体内 细胞和分子水平的改变

具有完整髓鞘亲和力的放射性示踪剂可用于随时间动态观察髓鞘含量变化的体内成像。该成像技术可检测髓鞘含量的增加或减少，意味着能够识别中枢神经系统中的脱髓鞘和再髓鞘化过程。在本实验方案中，我们展示了如何利用正电子发射断层扫描（PET）成像技术在溶血卵磷脂大鼠模型中检测髓鞘变化，该模型是一种局灶性脱髓鞘病灶模型（通过立体定位注射诱导），即多发性硬化症疾病的模型。11C-PIB PET成像分别在基线期、以及大鼠脑右侧纹状体（4 µL）和胼胝体（3 µL）立体定位注射1%溶血卵磷脂后1周和4周进行，从而实现对局灶性脱髓鞘（注射后1周的注射部位）及再髓鞘化过程（注射后4周的注射部位）的定量分析。

髓鞘PET成像是一种用于监测的有用工具 体内 髓鞘含量的变化，可用于监测脱髓鞘疾病的进展及治疗反应。

引言

多发性硬化症（MS）是一种影响中枢神经系统的神经炎症性疾病，其特征为炎症、脱髓鞘和轴突丢失1。尽管治疗手段不断进步，该疾病的预后仍存在较大差异，且是导致年轻人神经系统功能缺损的最常见病因之一1。MS的诊断依据为临床表现以及通过磁共振成像（MRI）观察到特征性病灶2,3。

正电子发射断层扫描（PET）可作为体内监测多发性硬化症（MS）进展及治疗效果的有用工具。in vivo 常用碳-11标记的匹兹堡化合物B放射性示踪剂（11C-PIB）来定量β-淀粉样蛋白斑块；然而，在过去十年中，该示踪剂也被用于量化髓鞘含量，并显示脱髓鞘与再髓鞘化的动态过程4,5,6。

不同的淀粉样蛋白PET示踪剂（11C-PIB、18F-florbetaben、18F-florbetapir、18F-flutemetamol）可用于量化髓鞘，并提供有关疾病进展和治疗反应的重要信息，从而在无神经炎症干扰的情况下识别脱髓鞘和再髓鞘化过程，而神经炎症可能在常规磁共振成像（MRI）中出现7。淀粉样蛋白PET成像显示，活动性多发性硬化（MS）患者相较于非活动性患者的示踪剂摄取减少，这可能归因于活动性患者早期的白质损伤8。在一项随访研究中，较低的淀粉样蛋白示踪剂摄取还与认知功能下降相关，表明该技术是研究疾病病理生理机制及临床结局的有力工具9。

溶血卵磷脂（LPC）大鼠模型是一种化学诱导的多发性硬化模型，其中注射的毒素LPC可引发大量巨噬细胞反应，导致炎症加剧，进而引起脱髓鞘10,11。该模型的脱髓鞘过程可在约4周内迅速逆转，因此非常适合用于评估啮齿类动物的脱髓鞘与再髓鞘化过程。该模型已通过正电子发射断层成像（PET）进行过评估，结果良好，并与死后组织学检测结果具有良好相关性12。

本文介绍了使用髓鞘PET成像的实验方案 11C-PIB在溶血卵磷脂大鼠模型中的应用，表明该成像技术是一种有效的工具 体内 髓鞘含量测定

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方案

所有操作均遵循巴西国家动物实验控制委员会（CONCEA，巴西）的指南，并获得圣保罗大学医学院动物研究伦理委员会（CEUA-FMUSP，巴西——方案编号：25/15）的批准。

注意：在本实验方案中，我们展示了如何建立溶血卵磷脂诱导的大鼠多发性硬化模型，以及如何获取和分析髓鞘PET图像。

1. 溶血磷脂酰胆碱溶液的制备

  1. 使用锥形塑料管（1.5 mL）在分析天平上称取卵磷脂（来自蛋黄的L-α-溶血磷脂酰胆碱）。
  2. 向管中加入无菌生理盐水，配制成1%溶液（例如：称取1 mg溶血卵磷脂，加入100 µL生理盐水溶解），通过水平摇动管子溶解溶血卵磷脂（避免上下翻转，应左右摇动）。
  3. 在开始动物模型制备前现配该溶液（不可将配好的溶液储存备用）。

2. 溶血卵磷脂大鼠模型——立体定位手术

  1. 使用体重在220 - 270 g之间的雄性Wistar大鼠。所有操作过程中均需佩戴手套和口罩。
  2. 使用5%异氟烷与100%氧气混合诱导麻醉2 (1 L/min) 通过诱导盒进行麻醉。通过观察动物是否无运动（仅可见呼吸）来确认其是否已麻醉。
  3. 将动物置于立体定位仪中的加热垫上，固定其鼻部和耳部。
    ​注意：有关如何进行立体定位手术的详细信息可参见 JoVE 科学教育数据库。 神经科学 啮齿类动物立体定位手术。JoVE，美国马萨诸塞州剑桥市，2021年
    1. 在整个过程（包括手术和图像采集）中监测麻醉状态。通过观察动物的呼吸频率来调整异氟烷浓度：呼吸频率快时需提高麻醉浓度，呼吸频率慢时需降低麻醉浓度。
  4. 皮下注射镇痛剂（酮洛芬，5 mg/kg）（用生理盐水将药物稀释至1 mL，有助于动物水化）。
  5. 将眼霜涂抹于动物眼部，以防脱水。
  6. 使用0.5%氯己定溶液清洁切口区域。
  7. 在切口区域皮下注射100 µL 2%盐酸利多卡因。
  8. 剃除颅骨区域的毛发。
  9. 此操作请使用无菌器械。
  10. 使用手术刀在颅骨上方的皮肤上做一个约2厘米的切口。
  11. 用动脉瘤夹暴露颅骨。
  12. 使用棉签蘸取1%过氧化氢清洁颅骨区域。
  13. 定位并标记前囟（可借助立体定位大鼠脑图谱来确定前囟）。
  14. 将 Hamilton 注射器（µL 神经注射器）置于前囟处。
  15. 以bregma和立体定位图谱为参考，将Hamilton注射器置于以下坐标位置：前后方向：-0.30 mm，侧向：-3.0 mm，腹侧方向下降至接触颅骨，标记颅骨位置，并在纸上记录坐标方位。
  16. 在标记的坐标处钻开颅骨。注意保护硬脑膜（损伤硬脑膜可能导致大量出血）。
  17. 用7 µL溶血磷脂酰胆碱溶液（1%生理盐水配制）填充Hamilton注射器。注射器内可装入更大体积，但仅注射7 µL（需排除注射器内的气泡以准确测量体积）。
  18. 将 Hamilton 注射器置于先前的坐标位置，开始药物注射（总共向 3 个不同的腹侧立体定位坐标注入 7 µL）。根据之前记录的坐标，将 Hamilton 注射器下降至腹侧坐标 -5.0 mm。
  19. 非常缓慢地注射 2 µL 溶血卵磷脂溶液（1 µL/10 分钟）。等待 3 分钟。
  20. 将针头移至下一个腹侧立体定位坐标（-4.2 mm），缓慢注射2 µL溶血卵磷脂溶液（1 µL / 10 min）。等待3分钟。
  21. 注射第三脑室坐标 -3.0 mm（3 µL 溶血卵磷脂溶液，1 µL/10 分钟）。
  22. 等待5分钟，然后将Hamilton注射器从脑中取出。
  23. 缝合皮肤。
  24. 将动物从立体定位仪中取出，并让其苏醒。
  25. 将动物放回其居住笼具中，单独饲养并密切观察，以检查是否存在不适症状。
  26. 术后24小时和48小时，将稀释于生理盐水中的皮下镇痛剂（酮洛芬，5 mg/kg）注射。

3. PET 采集

  1. 取 7 至 20 MBq 的 11注射器中的C-PIB放射性（大鼠静脉注射允许的最大体积为1 mL）。
  2. 用5%异氟烷与100%氧气混合气体麻醉动物2 (1 L/min) 使用诱导箱。
  3. 注射 11将C-PIB（放射性活性定义见上述第4.1项）注入大鼠阴茎静脉或尾静脉（两种给药途径均可，选择取决于个人偏好。我们仅建议避免使用眶后注射，因为该部位距离感兴趣区域（脑部）过近，可能影响图像质量）。
    注意：基线时间点的图像采集在立体定位注射前进行，另外两个时间点分别在手术后1周和4周进行。
  4. 将动物移出麻醉环境，使其苏醒（在动物完全清醒前，将其置于保温垫上）。
  5. 将动物放回其饲养笼中。
  6. 等待30分钟以进行下一步。
  7. 用5%异氟烷与100%氧气混合气体麻醉大鼠2 (1 L/min) 使用诱导箱。
  8. 开放式PET扫描仪软件
  9. 选择 扫描 > 宠物友好.
  10. 填写主要研究者详细信息、研究编号（Study ID）、系列编号（Series ID）、动物编号（Animal ID）、动物体重（g）及附加说明。选择 下一步.
    注意：动物体重中的小数请使用点号（.）表示。
  11. 编辑用于扫描的ROI区域（通常在3到8之间）。此区域将被包含在图像中（床罩上编号3至8之间的区域将出现在最终图像中）。
  12. 将麻醉后的大鼠置于PET扫描仪的标准大鼠床中，并开启麻醉（3%异氟烷，100%氧气）2 是一个良好的开端，然后可根据需要调整麻醉速率。为调整麻醉，应检查扫描仪软件的监测数据，以确认动物的呼吸保持稳定且缓慢的节律。
    注意：开启与活性炭过滤器相连的真空泵，以收集过量的异氟烷气体（如果配备该泵）。
  13. 涂抹眼霜以保护动物的眼睛。
  14. 将动物床推入PET扫描仪内。
  15. 活动详细信息、活动校准时间、同位素（C-11）、扫描持续时间（20分钟）。选择 开始扫描.
    注意：A 宠物移动床 消息将出现，动物床会移入设备内，并停在先前选定的ROI位置。采集时间将开始倒计时，每秒计数（CPS）将显示。
  16. 在扫描仪软件中，导航至 监测 屏幕左侧的标签，勾选 调整阈值 呼吸参数变化（BPM）
    注意：将弹出一个窗口，其中包含阈值参数（500）。选择 好的.
  17. 导航至 0% 功率 调整温度参数以在扫描期间对动物进行加热。此时将弹出一个窗口；完成参数设置（80 - 100）。选择 好的.
    注意：根据室温条件选择80%至100%的功率（功率越高，温度越高）。
  18. 返回到 扫描 表。
  19. 转至配置工具（齿轮图标）并完成 注射时间、剩余活度、剩余活度校准时间选择 保存.
    注意：将弹出一个窗口 "您确定要修改该实验方案的元数据吗？"> 是
  20. 返回到 监测 标签（检查动物的呼吸参数，必要时调整异氟烷浓度——通常在100% O₂中为3%）2 足够即可。
  21. 当PET采集结束后， 宠物就绪 消息将出现在 扫描 标签，检查 箭头向外图标 （位于配置工具左侧）以移出动物床。
  22. 将动物从麻醉状态中移出，在保温垫上使其苏醒。
  23. 用于重建图像, 导航至 重建 表。
  24. 单击屏幕左下角的加号图标，选择将要重建的研究文件。选择 下一步.
  25. 导航至 能量分辨率 工具。此时将弹出一个窗口。根据每月质量控制结果，将能量峰值（keV）配置为设备参数。选择 关闭.
    注意：进行每月设备校准时，能量峰可能每月都会发生变化。
  26. 保持所有其他参数为默认设置（各向同性体素大小：400 mm；迭代次数：30；能量分辨率：30%；仅保存最后一次迭代结果；取消勾选“保留二进制数据”）。
  27. 检查 添加.
    ​注意：将弹出一个窗口 "重建已加入队列，将在其他任务完成后开始"选择 好的在“重建”选项卡的重建列表中将出现一个文件，其状态显示为“等待”、百分比（进度）或“完成”。

4. 图像分析

注意：使用专用的图像分析软件进行图像分析。本方案中演示所用的是某一特定软件程序，但如果该软件不可用，也可使用其他替代软件。

  1. 打开 PMOD > 融合它.
  2. 点击屏幕顶部的“匹配”标签。
  3. 打开 加载输入 屏幕右侧中部的菜单中选择“自动检测文件”，选择 PET 文件（DICOM、Interfile 或 NifTI），添加至已选文件，点击“操作”，选择“重新定向至标准方位”，点击确认 加载 并关闭。
  4. 验证动物 物种 在屏幕底部是正确的（大鼠).
  5. 检查 作物 屏幕右下角的方框。
  6. 调整PET图像中黄色方框的大小以包含整个大脑。
  7. 点击 刚性 屏幕右侧的按钮。在确认窗口中单击 是.
  8. 点击屏幕右中部的大脑工具以打开参考图谱，选择 Px Rat (W.Schiffer) - T2。
  9. 选择 匹配结果 从右上角的标签页（选择处理阶段标签页）中。
  10. 点击 数据重切片 (4th右上角菜单中的标签
  11. 使用旋转工具（PET图像中心的白色图标）将PET图像与参考模板对齐。检查三个解剖平面的对齐情况。
  12. 保存配准文件（屏幕右侧菜单）。
  13. 选择输出格式（DICOM 或 NifTI）、目录及文件前缀。点击 保存.
    注意：如果将共同配准的输出保存为 NifTi 格式，图像头部信息将会丢失。
  14. 点击 感兴趣区域 屏幕底部的菜单。
  15. 导航至 模板 > 图谱 屏幕底部（VOIs 窗口下方）。
  16. 从下拉菜单中选择 Px Rat(W.Schiffer)。
    注意：如果仅需分析特定的感兴趣体积（VOI），可仅选择感兴趣的脑区。如果需要脑图谱中的所有脑区，则无需进行任何操作。
  17. 点击 提纲 在屏幕底部。
    注意：脑区的感兴趣区域（VOIs）将在 VOIs 窗口中显示。
  18. 在病灶部位及对侧大脑半球区域手动绘制感兴趣体积（VOI）11C-PIB 低摄取区域及对侧大脑半球
  19. 在 PET 图像的区域点击 11C-PIB 摄取量低。
  20. 选择 新的感兴趣区域 > 好的.
    注意：将出现一个电子表格
  21. 导航至 SPHERE 屏幕中部（VOIs 窗口左侧）的图标
    注意：将出现一个电子表格。
  22. 选择 VOI 名称：病灶 并选择 应用.
    注意：在共配准图像中将出现一个球体。
  23. 将球体对准病灶区域，并针对所有解剖平面调整容积感兴趣区（VOI）。
  24. 点击 关闭 （位于电子表格的底部区域）。
  25. 从VOI列表中选择病灶VOI。
  26. 导航至 VOI 镜像操作 图标（位于VOIs窗口右上角）并选择 克隆并镜像左右.
  27. 导航至 计算选定 VOI 的统计值 在VOIs列表窗口的顶部。导航至 选择要计算的统计量 选择输出数据的图标（位于VOI统计图标右侧）。通常用于髓鞘含量检查，选择“VOI组的统计量”、“平均值”、“标准差”、“最小值”、“最大值”。
    注意：此时将出现一个电子表格，默认的数据单位为 kBq/cc。在电子表格左上方的“VOI Statistics”区域，可将数据单位切换为 SUV（标准摄取值）。如果此前已在扫描仪软件中正确填写了放射性示踪剂给药及图像采集的相关参数，则 PMOD 软件将自动计算 SUV 数据；否则，可在此处手动编辑相关信息。
  28. 导航至 使用系统区域设置的数字格式进行复制.
    注意：请确认是否已选择所有统计项作为输出内容（查看屏幕右上角的勾选图标）。将要复制的数据取决于所选的数据单元。
  29. 将输出数据粘贴到记事本或电子表格中。
    注意：在数字之间的句点和逗号符号的软件设置上需谨慎，不同语言配置下可能存在差异。
  30. 使用研究名称和详细信息保存文件。

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结果

图1展示了随时间变化的髓鞘改变的代表性11C-PIB PET图像。在基线扫描中，髓鞘含量无明显差异（即不存在脱髓鞘）。在1周时间点的图像中，可见局灶性脱髓鞘病灶（位于右半球），如白色箭头所示。图像以三个解剖平面（冠状面、轴向面和矢状面）呈现，可在所有平面上识别出脱髓鞘病灶。1周图像显示注射部位出现边界清晰的病灶，表明模型成功诱导且图像可检测到病变。在4周图像中，病灶已不可见，提示再髓鞘化已经发生，髓鞘含量恢复至正常水平（或接近正常）。

代表性图表展示了3个不同时间点下4只动物图像的定量结果。第一张图表显示了病灶区（手动勾画感兴趣区）与对侧半球比值的定量结果，表明在溶血卵磷脂注射部位出现更为局限的髓鞘变化。第二张图表展示了相同的定量分析，但感兴趣区位于纹状体（注射侧纹状体与对侧比值），此情况下差异无统计学意义，这可能归因于样本量较小，以及感兴趣区范围较大，导致放射性浓度不仅反映溶血卵磷脂注射部位的信号。

组间差异采用Kruskal-Wallis检验...

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讨论

使用溶血卵磷脂模型研究多发性硬化症的最大优势在于脱髓鞘（约1周）和再髓鞘化（约4周）的时间进程较快14该模型也可在小鼠中建立15然而，在大鼠中进行诱导更具优势 体内 由于大鼠脑部体积大于小鼠，因此适用于PET成像。

诱导模型的第一步是必须极为谨慎。该模型已由 de Paula Faria 等人验证用于髓鞘PET成像。10 2014年的一项研究表明，溶血卵磷脂在脑内注射的速度对于成功建立模型至关重要。注射必须非常缓慢地进行，每10分钟注射1 µL，以避免组织损伤。溶血卵磷脂溶液也应在立体定位注射当天配制，最好在手术开始前立即配制。如果研究团队首次使用该模型，我们建议在进行PET成像的髓鞘定量之前，应先对模型进行验证。验证需包括死后组织的髓鞘染色分析，例如：Luxol fast blue组织学染色，如图所示 图2，以及髓鞘碱性蛋白（MBP）免疫组织化学， 在...

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致谢

β-cube 设备（Molecubes NV，比利时）由巴西圣保罗研究基金会 FAPESP 资助（#2018/15167-1）。LES 获得巴西圣保罗研究基金会 FAPESP 的博士生奖学金（#2019/15654-2）。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
分析天平MarteAUWZZOD最大称量：220 g，最小称量：1 mg
麻醉蒸发器Nanitech15800
Beta-cubeMolecubes
动脉夹Stoelting5212043P
氯己定Rioquimica0.5%/100 mL
棉签Johnson & Johnson
放射性剂量计Capintech
钻机Kinzo powertools352901型号 Q0M-DC3C
离心管Eppendorf301251501.5 mL
眼用润滑剂ADVFARMA30049099 凡士林 15 g（药用纯度）
精细镊子Stoelting52102-38P
手套Descarpack212101 6.5 号
加热垫Softhear
注射器Hamilton8031410µL，32 号针头，型号 701
胰岛素注射器BD3283281 mL 胰岛素注射器，带针头
异氟烷Cristália410525100 mL，浓度 1 mL/1 mL
酮洛芬或其他镇痛药Sanofi100 mg/2 mL
利多卡因Hipolabor1.1343.0102.001-52%/20 mL
蛋黄来源 L-α-溶血磷脂酰胆碱Sigma-aldrichL-412925 mg - ≥99%，I 型，粉末
持针器Stoelting5212290P
氧气White Martins7782-44-7压缩气体
PMOD 软件PMOD technologies版本 4.1模块 fuse it
大鼠麻醉面罩KOPF型号 906
生理盐水Farmace0543325/ 14-80.9% 氯化钠注射液，10 mL
手术刀片Stoelting52173-10
手术刀柄Stoelting52171P
剪刀Stoelting52136-50P
半分析天平QuimisBK-3000最大称量：3,100 g；最小称量：0.2 g
剃毛器Mega profissionalAT200 型号
立体定位仪KOPF型号 900
带针头支架的通用夹具KOPF型号 1772-F1适用于 5 和 10 µL Hamilton 注射器的支架

参考文献

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重印与许可

勘误


Formal Correction: Erratum: Positron Emission Tomography Imaging for In Vivo Measuring of Myelin Content in the Lysolecithin Rat Model of Multiple Sclerosis
Posted by JoVE Editors on 2/16/2023. Citeable Link.

An erratum was issued for: Positron Emission Tomography Imaging for In Vivo Measuring of Myelin Content in the Lysolecithin Rat Model of Multiple Sclerosis. The citation was updated.

The citation was updated from:

de Paula Faria, D., Cristiano Real, C., Estessi de Souza, L., Teles Garcez, A., Navarro Marques, F. L., Buchpiguel, C. A. Positron Emission Tomography Imaging for In Vivo Measuring of Myelin Content in the Lysolecithin Rat Model of Multiple Sclerosis. J. Vis. Exp. (168), e62094, doi:10.3791/62094 (2021).

to:

de Paula Faria, D., Real, C.C., Estessi de Souza, L., Teles Garcez, A., Navarro Marques, F. L., Buchpiguel, C. A. Positron Emission Tomography Imaging for In Vivo Measuring of Myelin Content in the Lysolecithin Rat Model of Multiple Sclerosis. J. Vis. Exp. (168), e62094, doi:10.3791/62094 (2021).

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